Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Manutenção Industrial, na Faculdade de Engenharia da Universidade do porto, sob a orientação do Professor Pedro Ponces Camanho

Tese de mestrado. Mestrado integrado em Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Ligas de alumínio são extensamente usadas em partes aeronáuticas devido às boas propriedades mecânicas e baixa densidade. Estas partes devem ser unidas para formar conjuntos maiores. Uma junta estrutural é definida como um segmento de estrutura que provê um meio de transferir carga de um elemento estrutural para outro. A maioria das juntas aeronáuticas é mecanicamente fixada com múltiplos prendedores (parafusos ou rebites). Estas juntas apresentam uma alta concentração de tensões ao redor do prendedor, porque a transferência de carga entre elementos da junta acontece em uma fração da área disponível. Por outro lado, as cargas aplicadas em juntas adesivas são distribuídas sobre toda a área colada e reduz os pontos de concentração de tensão. Juntas são a fonte mais comum de falhas estruturais em aeronaves e quase todos os reparos envolvem juntas. Portanto, é importante entender todos os aspectos de projeto e análise de juntas. O objetivo deste trabalho é comparar juntas estruturais de ligas de Al2024-T3 em três condições: juntas mecanicamente rebitadas, juntas coladas e uma configuração híbrida rebitada e colada. Foi usada a norma NASM 1312-4 para confecção dos corpos-de-prova. Além disso, foram conduzidos testes de fadiga, sob amplitude de carregamento constante e relação de tensão igual a 0.1, para avaliar a eficiência dos elementos estruturais durante sua vida em serviço. Os resultados mostraram que a configuração híbrida apresenta maior resistência estática e uma vida em fadiga superior às demais configurações.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Juntas coladas têm se mostrado como a principal alternativa de união entre componentes fabricados em materiais distintos ou não, tendo como vantagem principal a ausência de aporte de calor e melhor distribuição de tensões. A literatura mostra que estudos anteriores foram realizados com o objetivo de caracterizar diversas propriedades associados às juntas, porém, pouco ainda se conhece sobre o comportamento dessas uniões relacionado à fluência. Os ensaios de fluência têm como principal desvantagem a baixa produtividade de resultados visto que, na maioria dos casos, os equipamentos aptos a realizarem este tipo de teste ensaiam apenas um corpo de prova por vez. Neste caso, o tratamento estatístico é baseado em uma pequena quantidade de resultados, reduzindo a confiabilidade na predição do comportamento em fluência. O Laboratório de Adesão e Aderência (LAA/UERJ/IPRJ) desenvolveu o equipamento pneumático de fluência (EPF) capaz de realizar dez ensaios simultâneos com parâmetros distintos. Este trabalho investiga o comportamento de juntas de cisalhamento simples (SLJ) compostas por substratos metálicos colados com adesivo epóxi e poliuretano. As juntas foram fabricadas em conformidade a norma ASTM D 1002, seguindo procedimento de preparo RT-003/08 TMC/CENPES/PETROBRAS. Os resultados mostram que, para projetos onde esteja prevista utilização das juntas durante longos períodos de tempo sob carregamento, conhecer apenas suas tensões médias de ruptura não é o suficiente para garantir a segurança do empreendimento. É proposto um modelo inicial do comportamento sob fluência de juntas coladas. / Bonded joints have been used as the main alternative to join components made of different materials, especially because high temperatures, like in welding process, are not required and because tensions are better distributed. Literature shows that although prior studies focused on the evolution of several mechanical properties related to joints, little is known about the creep behavior of bonded joints. Creep testings main disadvantage is the low productivity of results, since that, in most cases, testing machines capable of performing these tests only test one joint at a time. In this case, statistical treatment is made based on a small amount of results, reducing the reliability of the predictions. Thus, the Laboratory of Adhesion and Adherence (LAA/UERJ/IPRJ) developed a pneumatic creep equipment (PCE), capable of testing ten specimens simultaneously, under distinct scenario. This work looks into the behavior of single-lap joints (SLJ) made of metallic substrate and bonded with epoxy and polyurethane adhesives. The joints were produced according to ASTM D 1002 standard, following the RT-003/08 TMC/CENPES/PETROBRAS repair procedure. Results show that, for long term applications, knowing the average tensile strength of the joints isnt enough to guarantee project safety. An initial model for the creep behavior of bonded joints is proposed.

O presente trabalho consiste basicamente no desenvolvimento de um programa de engenharia denominado SAJ (sistema de análise de juntas) capaz de realizar uma análise detalhada do comportamento de dois dos diversos tipos de juntas coladas existentes, a junta simples colada (\"single lap joint\") e a junta dupla colada (\"double lap joint\"). Sendo que foram analisadas juntas coladas com aderentes de material compósito ou, então, compostas de aderentes de compósitos e metal. O programa de engenharia desenvolvido possibilita o cálculo das tensões, dos esforços e dos deslocamentos nessas juntas. Para validar o referido programa, os resultados obtidos do mesmo foram confrontados com os resultados obtidos para condições semelhantes utilizando \"softwares\" comerciais de elementos finitos e de cálculo de juntas. Após a validação do programa, são apresentados alguns estudos de fatores que influenciam na resistência da junta colada, verificando a influência do comprimento de \"overlap\" (sobreposição), a rigidez do adesivo e a espessura da camada adesiva. Também é apresentada uma análise de falha dos aderentes de compósito evidenciando assim, as potencialidades e limitações desta ferramenta computacional para a área de desenvolvimento de produto. / This work consists on the development of software called SAJ which can analyze a bonded joint behavior in detail, not only for single lap joint, but also, for double lap joint. These joints could be made of composite/composite materials or metal/composite as adherentes. The software developed can calculate the joints stresses, loads and displacements. The results obtained are compared to the results obtained using commercial software and the same problems proposed. After the validation of SAJ, some studies were performed in order to determine how some characteristics affect the joint stresses distribution as overlap length, adhesive elastic modulus, adhesive thickness and a failure analysis of composite adherents showing the potential and limitation of this computational tool for the product development area.

Devido a suas vantagens comparadas aos métodos tradicionais de união mecânica, a utilização de juntas coladas estruturais só tende a crescer, entretanto, devido suas propriedades e modos de falha dependerem de diversos parâmetros (tratamento superficial, geometria, material, condições de tralho, etc.) uma utilização mais ampla desta técnica ainda é restrita pela ausência de modelos de falhas confiáveis. O presente trabalho consiste na apresentação de métodos para fabricação de juntas coladas em material compósito e verificação da influência da espessura da camada adesiva na resistência de juntas simples coladas (single lap joints) submetidas à tração. São também apresentados métodos para fabricação dos aderentes, corpos de prova de adesivo puro para ensaios de caracterização e realização de ensaios mecânicos para obtenção das propriedades mecânicas tanto dos aderentes quanto do adesivo. As propriedades mecânicas dos aderentes e do adesivo foram obtidas através de ensaios realizados em uma máquina de tração universal com o auxílio da técnica de correlação digital de imagem, e a obtenção das energias críticas de resistência à fratura (GIc,GIIc) da camada adesiva foram calculadas através de ensaios Double Cantilever Beam (DCB) e End Notched Flexure (ENF). Foram estudados métodos para gerar falha coesiva nas juntas adesivas, sendo que o melhor método encontrado foi o de tratamento superficial dos aderentes com jateamento abrasivo seguido pela limpeza superficial com acetona. O controle preciso da espessura da camada adesiva foi alcançado através do desenvolvimento de um dispositivo de fácil construção, compostos por suportes de madeira, hastes e linhas de nylon. Nos ensaios em juntas coladas foi constatado uma relação inversamente proporcional entre a espessura da camada adesiva e a resistência máxima suportada pela junta, ou seja, quanto maior a espessura do adesivo menor sua resistência. Os métodos aqui apresentados foram os resultados de vários meses de estudo e compreensão das normas e técnicas disponíveis na literatura, o aprimoramento das técnicas foram frutos de um ciclo compostos por fabricação, testes e análise de resultados. / Amongst the joining techniques, adhesively bonding joints are one of the most commonly applied nowadays. However, a lack of reliable failure criteria still exists, limiting in this way a more widespread application of adhesively bonded joints in principal load-bearing structural applications. An accurate strength prediction of the adhesively bonded joints is essential to decrease the amount of expensive testing at the design stage. This work consists to show methods for manufacturing single lap joints and to verify the adhesive thickness influence on the joint resistance. The manufacturing process of the composite adherends and adhesives for bulk tests was also covered. The mechanical properties of the adherends and bulk adhesive were performed on a universal testing machine with assistance of a digital image correlation (DIC) technique. The fracture toughness energy release rates (GIc,GIIc) of the adhesive layer were obtained respectively through Double Cantilever Beam (DCB) and End Notched Flexure (ENF) tests. Cohesive failure was achieved by grit blasting the adherents followed by cleaning with acetone. A constant adhesive thickness was guaranteed by placing nylon fishing lines between the adherents. Single lap joints tests showed that the joint resistance decrease with increasing adhesive thickness.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Juntas coladas têm se mostrado como a principal alternativa de união entre componentes fabricados em materiais distintos ou não, tendo como vantagem principal a ausência de aporte de calor e melhor distribuição de tensões. A literatura mostra que estudos anteriores foram realizados com o objetivo de caracterizar diversas propriedades associados às juntas, porém, pouco ainda se conhece sobre o comportamento dessas uniões relacionado à fluência. Os ensaios de fluência têm como principal desvantagem a baixa produtividade de resultados visto que, na maioria dos casos, os equipamentos aptos a realizarem este tipo de teste ensaiam apenas um corpo de prova por vez. Neste caso, o tratamento estatístico é baseado em uma pequena quantidade de resultados, reduzindo a confiabilidade na predição do comportamento em fluência. O Laboratório de Adesão e Aderência (LAA/UERJ/IPRJ) desenvolveu o equipamento pneumático de fluência (EPF) capaz de realizar dez ensaios simultâneos com parâmetros distintos. Este trabalho investiga o comportamento de juntas de cisalhamento simples (SLJ) compostas por substratos metálicos colados com adesivo epóxi e poliuretano. As juntas foram fabricadas em conformidade a norma ASTM D 1002, seguindo procedimento de preparo RT-003/08 TMC/CENPES/PETROBRAS. Os resultados mostram que, para projetos onde esteja prevista utilização das juntas durante longos períodos de tempo sob carregamento, conhecer apenas suas tensões médias de ruptura não é o suficiente para garantir a segurança do empreendimento. É proposto um modelo inicial do comportamento sob fluência de juntas coladas. / Bonded joints have been used as the main alternative to join components made of different materials, especially because high temperatures, like in welding process, are not required and because tensions are better distributed. Literature shows that although prior studies focused on the evolution of several mechanical properties related to joints, little is known about the creep behavior of bonded joints. Creep testings main disadvantage is the low productivity of results, since that, in most cases, testing machines capable of performing these tests only test one joint at a time. In this case, statistical treatment is made based on a small amount of results, reducing the reliability of the predictions. Thus, the Laboratory of Adhesion and Adherence (LAA/UERJ/IPRJ) developed a pneumatic creep equipment (PCE), capable of testing ten specimens simultaneously, under distinct scenario. This work looks into the behavior of single-lap joints (SLJ) made of metallic substrate and bonded with epoxy and polyurethane adhesives. The joints were produced according to ASTM D 1002 standard, following the RT-003/08 TMC/CENPES/PETROBRAS repair procedure. Results show that, for long term applications, knowing the average tensile strength of the joints isnt enough to guarantee project safety. An initial model for the creep behavior of bonded joints is proposed.

Devido a suas vantagens comparadas aos métodos tradicionais de união mecânica, a utilização de juntas coladas estruturais só tende a crescer, entretanto, devido suas propriedades e modos de falha dependerem de diversos parâmetros (tratamento superficial, geometria, material, condições de tralho, etc.) uma utilização mais ampla desta técnica ainda é restrita pela ausência de modelos de falhas confiáveis. O presente trabalho consiste na apresentação de métodos para fabricação de juntas coladas em material compósito e verificação da influência da espessura da camada adesiva na resistência de juntas simples coladas (single lap joints) submetidas à tração. São também apresentados métodos para fabricação dos aderentes, corpos de prova de adesivo puro para ensaios de caracterização e realização de ensaios mecânicos para obtenção das propriedades mecânicas tanto dos aderentes quanto do adesivo. As propriedades mecânicas dos aderentes e do adesivo foram obtidas através de ensaios realizados em uma máquina de tração universal com o auxílio da técnica de correlação digital de imagem, e a obtenção das energias críticas de resistência à fratura (GIc,GIIc) da camada adesiva foram calculadas através de ensaios Double Cantilever Beam (DCB) e End Notched Flexure (ENF). Foram estudados métodos para gerar falha coesiva nas juntas adesivas, sendo que o melhor método encontrado foi o de tratamento superficial dos aderentes com jateamento abrasivo seguido pela limpeza superficial com acetona. O controle preciso da espessura da camada adesiva foi alcançado através do desenvolvimento de um dispositivo de fácil construção, compostos por suportes de madeira, hastes e linhas de nylon. Nos ensaios em juntas coladas foi constatado uma relação inversamente proporcional entre a espessura da camada adesiva e a resistência máxima suportada pela junta, ou seja, quanto maior a espessura do adesivo menor sua resistência. Os métodos aqui apresentados foram os resultados de vários meses de estudo e compreensão das normas e técnicas disponíveis na literatura, o aprimoramento das técnicas foram frutos de um ciclo compostos por fabricação, testes e análise de resultados. / Amongst the joining techniques, adhesively bonding joints are one of the most commonly applied nowadays. However, a lack of reliable failure criteria still exists, limiting in this way a more widespread application of adhesively bonded joints in principal load-bearing structural applications. An accurate strength prediction of the adhesively bonded joints is essential to decrease the amount of expensive testing at the design stage. This work consists to show methods for manufacturing single lap joints and to verify the adhesive thickness influence on the joint resistance. The manufacturing process of the composite adherends and adhesives for bulk tests was also covered. The mechanical properties of the adherends and bulk adhesive were performed on a universal testing machine with assistance of a digital image correlation (DIC) technique. The fracture toughness energy release rates (GIc,GIIc) of the adhesive layer were obtained respectively through Double Cantilever Beam (DCB) and End Notched Flexure (ENF) tests. Cohesive failure was achieved by grit blasting the adherents followed by cleaning with acetone. A constant adhesive thickness was guaranteed by placing nylon fishing lines between the adherents. Single lap joints tests showed that the joint resistance decrease with increasing adhesive thickness.

O presente trabalho consiste basicamente no desenvolvimento de um programa de engenharia denominado SAJ (sistema de análise de juntas) capaz de realizar uma análise detalhada do comportamento de dois dos diversos tipos de juntas coladas existentes, a junta simples colada (\"single lap joint\") e a junta dupla colada (\"double lap joint\"). Sendo que foram analisadas juntas coladas com aderentes de material compósito ou, então, compostas de aderentes de compósitos e metal. O programa de engenharia desenvolvido possibilita o cálculo das tensões, dos esforços e dos deslocamentos nessas juntas. Para validar o referido programa, os resultados obtidos do mesmo foram confrontados com os resultados obtidos para condições semelhantes utilizando \"softwares\" comerciais de elementos finitos e de cálculo de juntas. Após a validação do programa, são apresentados alguns estudos de fatores que influenciam na resistência da junta colada, verificando a influência do comprimento de \"overlap\" (sobreposição), a rigidez do adesivo e a espessura da camada adesiva. Também é apresentada uma análise de falha dos aderentes de compósito evidenciando assim, as potencialidades e limitações desta ferramenta computacional para a área de desenvolvimento de produto. / This work consists on the development of software called SAJ which can analyze a bonded joint behavior in detail, not only for single lap joint, but also, for double lap joint. These joints could be made of composite/composite materials or metal/composite as adherentes. The software developed can calculate the joints stresses, loads and displacements. The results obtained are compared to the results obtained using commercial software and the same problems proposed. After the validation of SAJ, some studies were performed in order to determine how some characteristics affect the joint stresses distribution as overlap length, adhesive elastic modulus, adhesive thickness and a failure analysis of composite adherents showing the potential and limitation of this computational tool for the product development area.

The present document covers the studies over Structural Health Monitoring systems via vibration based methods. The topic is organized in two parallel studies. The first one analyzes the integrity of metal-composite single lap bonded joints. The second one approaches similar analyses for sandwich structures. The monitoring was made by investigating the dynamic response both computationally and experimentally to verify the reliability of applying vibration based SHM procedures, specifically with the objective of identifying the presence of debonding damage. The dynamic responses were obtained via accelerometers and piezoelectric sensors placed on top of the investigated structures (on the outward surface). The purpose for the accelerometers is to provide reference data for the analyses involving the piezoelectric sensors. Different metrics of damage identification were investigated, all working over a determined frequency range. They quantify the damage by analyzing either the magnitudes or phase angles of the dynamic responses among the undamaged and damage structures. This present work proposed modifications to some methodologies of damage quantification found in the literature and compared the results. The new metrics offered more reliable values for the damage quantification on several of the analyses. It was verified that the metrics are valid for the scenarios observed in the present study. The experimental analyses showed also the influence on the dynamic response due to the position of small elastomeric elements. In regards to the finite element analyses, the computational models showed similar results to the experimental data, the more accurate ones being the models for the bonded joints. For the computational models, improvements can be applied into the piezoelectric sensor (e.g. by using new finite element formulations), as well as the region of debonding (e.g. by using contact algorithms). It is important to highlight that the elastic properties of the skins for the sandwich structure were obtained by the literature, so the model can be improved in the future by applying properties obtained experimentally. / Esta dissertação aborda os estudos realizados no campo de Sistemas de Monitoramento da Integridade Estrutural por meio de métodos baseados em vibrações. O tópico abordado é organizado em dois estudos paralelos. O primeiro é relativo ao monitoramento da integridade de juntas coladas metal-compósito. O segundo versa sobre análises semelhantes em estruturas sanduíche. O monitoramento foi executado através das análises das assinaturas dinâmicas das estruturas, tanto computacionalmente quanto experimentalmente, visando avaliar a capacidade de metodologias vibracionais de SHM em detectar dano de descolamento. As respostas dinâmicas foram obtidas por meio de acelerômetros e sensores piezelétricos dispostos sobre a superfície das estruturas avaliadas. Os acelerômetros fornecem dados de referência para as análises realizadas com base nas respostas do sensor piezelétrico. Diferentes métricas de identificação de dano são abordadas, sendo que todas estão baseadas em análise no domínio da frequência, utilizando parâmetros de magnitude ou ângulo de fase das estruturas danificadas e intactas. O presente trabalho propôs alterações em algumas das metodologias encontradas na literatura e comparou os resultados das métricas originais com as modificadas. As métricas modificadas apresentaram resultados mais consistentes em vários cenários de análise. Constatou-se também que as métricas abordadas mostram-se válidas para os casos observados no presente estudo. As análises experimentais também evidenciaram a influência na assinatura dinâmica da estrutura sanduíche causada pelo posicionamento de pequenos elementos elastoméricos. Com relação às análises via elementos finitos, os modelos computacionais apresentaram resultados similares aos obtidos experimentalmente, sendo os da junta colada os mais precisos. Tais modelos computacionais podem ser melhorados no futuro por meio de uma modelagem mais detalhada dos elementos piezelétricos (por exemplo: por meio de novas formulações), como também da região de descolamento (por exemplo: por meio da implementação de algoritmos de contato). Deve-se ressaltar também que as propriedades elásticas das lâminas externas da estrutura sanduíche foram obtidas da literatura, assim sendo, o modelo poderá ser melhorado em estudos futuros por meio do emprego de propriedades obtidas experimentalmente.